自養(yǎng)硝化顆粒污泥原位儲(chǔ)存及恢復(fù)

曾敏靜，張斌超，曾 玉，黃思濃，程媛媛，龍 焙

(江西理工大學(xué)土木與測(cè)繪工程學(xué)院，江西贛州 341000)

自養(yǎng)硝化顆粒污泥(autotrophic nitrifying granular sludge, ANGS)是以慢速增長(zhǎng)的硝化菌為主要優(yōu)勢(shì)菌的生物聚集體，是一種特殊的好氧顆粒污泥(aerobic granular sludge，AGS)。它具有良好的沉降性能、高耐毒和優(yōu)異的硝化性能等特點(diǎn)[1-2]，為無(wú)機(jī)高氨氮廢水的治理提供了一種新選擇。Liu等[3]的研究表明，富集了硝化細(xì)菌的AGS往往具有更好的穩(wěn)定性。雖然ANGS可實(shí)現(xiàn)良好的氨氮去除效果，顯著降低運(yùn)行成本，但ANGS反應(yīng)器亦有閑置或檢修過(guò)程，運(yùn)行狀態(tài)的改變無(wú)疑會(huì)對(duì)ANGS的穩(wěn)定性造成負(fù)面沖擊。

目前，AGS的儲(chǔ)存及恢復(fù)研究以異養(yǎng)AGS為主，包括原位儲(chǔ)存[4-7]及異位儲(chǔ)存[8-11]。原位儲(chǔ)存將AGS直接儲(chǔ)存在停運(yùn)或閑置的反應(yīng)容器中；而異位儲(chǔ)存則是將AGS儲(chǔ)存在特定容器中，一般需要進(jìn)行預(yù)處理，依據(jù)儲(chǔ)存方式可分為干式儲(chǔ)存[12-15]和濕式儲(chǔ)存[16-19]。張立楠等[16]觀察到，濕式儲(chǔ)存31 d的AGS結(jié)構(gòu)松散，且出現(xiàn)污泥上浮現(xiàn)象，比耗氧速率(SOUR)下降了67.6%；張斌超等[17]發(fā)現(xiàn)，儲(chǔ)存1年的AGS的SOUR為0。趙玨等[18]將濕式儲(chǔ)存AGS接種到反應(yīng)器中，經(jīng)過(guò)12 d實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性的恢復(fù)；陳垚等[19]將低溫儲(chǔ)存的AGS在1個(gè)月實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定性的恢復(fù)。濕式儲(chǔ)存由于存在氣、液、固三相之間物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化，使AGS難以維持穩(wěn)定的三維結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)。為實(shí)現(xiàn)AGS的有效保存，一些研究者探索了干式儲(chǔ)存AGS的效果。張立楠等[20]、張斌超等[17]和趙玨等[21]發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用瓊脂包埋法能較好地維持AGS的形態(tài)及沉降性能。趙玨等[21]將瓊脂包埋的AGS重新曝氣后，在22 d實(shí)現(xiàn)了AGS穩(wěn)定性的恢復(fù)。為了實(shí)現(xiàn)更簡(jiǎn)單快捷的AGS保存，一些研究者探索了原位儲(chǔ)存AGS的效果。Zhang等[4]發(fā)現(xiàn)，閑置60 d的AGS由黃褐色變成了黑褐色， SOUR下降了74%。劉宏波等[5]發(fā)現(xiàn)，冬季閑置49 d的AGS出現(xiàn)了解體和破碎。以上研究表明，原位儲(chǔ)存AGS的效果并不理想。與異養(yǎng)AGS相比，ANGS內(nèi)富集了大量慢速生長(zhǎng)的硝化細(xì)菌，在穩(wěn)定性維持方面更具優(yōu)勢(shì)[22]，遺憾的是，目前對(duì)ANGS進(jìn)行常溫原位儲(chǔ)存的研究還較少，具體儲(chǔ)存和恢復(fù)效果還有待研究。

ANGS優(yōu)異的硝化性能使其具有較好的應(yīng)用潛力，若能實(shí)現(xiàn)ANGS的原位儲(chǔ)存及快速恢復(fù)，則有可能將損失降至最低。受新冠疫情影響，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)ANGS反應(yīng)器閑置長(zhǎng)達(dá)4個(gè)月，本研究考察了ANGS的恢復(fù)效果，旨在為長(zhǎng)期閑置的ANGS反應(yīng)器的快速恢復(fù)提供技術(shù)支持。

1 ANGS的儲(chǔ)存與恢復(fù)

1.1 ANGS的儲(chǔ)存

待反應(yīng)器內(nèi)混合液完全沉降后，排去上清液(換水率為60%)，將ANGS原位儲(chǔ)存于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的SBR中(有效容積為120.5 L，內(nèi)徑為29.2 cm，有效水深為180 cm)。用于儲(chǔ)存的ANGS的MLSS為3 950 mg/L，平均粒徑為1.6 mm，氨氮去除率在90%以上。該反應(yīng)器在儲(chǔ)存前的反應(yīng)周期為6 h(每天4個(gè)周期)，其中包括：進(jìn)水(5 min)、3次曝氣(58 min)與3次厭氧反應(yīng)(58 min)交替運(yùn)行、沉降(5 min)、排水(5 min)。進(jìn)水氨氮、TP分別為100 mg/L和3 mg/L，對(duì)應(yīng)的氨氮容積負(fù)荷為0.40 kg/(m3·d)。

1.2 ANGS的恢復(fù)

(1)運(yùn)行裝置

ANGS的恢復(fù)在原SBR中進(jìn)行，運(yùn)行周期6 h(每天4個(gè)周期)，其中，反應(yīng)順序?yàn)檫M(jìn)水7 min、曝氣反應(yīng)113 min、厭氧反應(yīng)114 min、曝氣反應(yīng)113 min、沉降6 min、排水7 min。后期沉降時(shí)間逐步縮短到3 min，同時(shí)，延長(zhǎng)第一個(gè)曝氣反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)到116 min。設(shè)置3臺(tái)電磁式空氣泵曝氣，將曝氣頭置于反應(yīng)器底部，表觀上升流速為1.25 m/s，水溫在25～32 ℃。

(2)模擬廢水

參照龍焙等[23]推薦的配方，進(jìn)水為無(wú)機(jī)高氨氮廢水，包括無(wú)機(jī)碳源、氮源、磷源和金屬元素，其余常量元素有Ca、Mg、Fe等，另投加Co、Cu、Mn等微量元素。前1～25 d進(jìn)水氨氮=100 mg/L，進(jìn)水TP=3 mg/L，氨氮容積負(fù)荷為0.30 kg/(m3·d)；第25～35 d進(jìn)水氨氮為前25 d的1.2倍；第35～48 d進(jìn)水氨氮為前25 d的1.2～1.4倍。為維持氨氧化細(xì)菌的氨氧化性能，需補(bǔ)充堿度，前8 d投加NaHCO3為255.3 mg/L，即補(bǔ)充堿度為3.0 mmol/L，反應(yīng)前后pH值由8.2降至6.3；此后增投至383.46 mg/L，即補(bǔ)充堿度為4.5 mmol/L，反應(yīng)前后pH值由8.7降至6.3。

(3)外源硝化細(xì)菌

1.3 分析方法

1.4 比硝化速率測(cè)定方法

(1)

(2)

CMLSS——污泥濃度，mg/L；

t——反應(yīng)時(shí)間，h。

2 結(jié)果與討論

2.1 污泥形態(tài)變化

與瓊脂包埋等較復(fù)雜的儲(chǔ)存方法相比[17,21]，原位儲(chǔ)存ANGS保持了完整的顆粒結(jié)構(gòu)。儲(chǔ)存后的ANGS內(nèi)核呈黑色(圖1)，與Zhu等[7]觀察的現(xiàn)象相似，原因是儲(chǔ)存期間，微生物內(nèi)源呼吸釋放了硫化物等黑色固體物質(zhì)。隨著培養(yǎng)時(shí)間的增長(zhǎng)，黑色內(nèi)核逐漸消失。恢復(fù)過(guò)程中觀察到顆粒先破碎成了半球片狀，顏色變成了淺黃色；隨后逐漸恢復(fù)圓形，顏色變深；到48 d，顆粒恢復(fù)為飽滿的形態(tài)，呈不規(guī)則球形。

圖1 恢復(fù)過(guò)程中ANGS的形態(tài)變化Fig.1 Morphological Changes of ANGS during Recovery Process

2.2 恢復(fù)過(guò)程中ANGS的理化特性

(1)沉降性能

如圖2(a)所示，恢復(fù)期間SVI整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，第30 d后穩(wěn)定在25 mL/g左右，SV30/SV5則始終大于0.9，表明ANGS在儲(chǔ)存與恢復(fù)期間保持了較好的沉降性能，顆粒結(jié)構(gòu)密實(shí)。

圖2 恢復(fù)過(guò)程中ANGS理化特性變化 (a)沉降性能；(b)MLSS；(c)SOUR；(d)EPS；(e)平均粒徑與顆粒化率；(f)粒徑分布Fig.2 Variations in ANGS Properties during Recovery Process (a) Sedimentation Performance; (b) MLSS; (c) SOUR; (d) EPS; (e) Average Particle Size and Granulation Rate; (f) Particle Size Distribution

(2)MLSS與MLVSS

如圖2(b)所示，恢復(fù)過(guò)程中MLSS為2 700～4 000 mg/L，35 d后穩(wěn)定在3 800 mg/L，推測(cè)其波動(dòng)的原因是顆粒破碎使一部分小碎片隨水流排出反應(yīng)器，使污泥量下降。同時(shí)，ANGS在重新獲得充足的氧氣和生長(zhǎng)基質(zhì)后，開(kāi)始大量繁殖使得污泥量上升。兩種機(jī)制作用下，最終MLSS增長(zhǎng)至3 800 mg/L，與儲(chǔ)存前(3 950 mg/L)接近。MLVSS/MLSS始終維持在0.95以上，表明顆粒污泥中的活性成分很高。

(3)SOUR

如圖2(c)所示，恢復(fù)時(shí)ANGS的SOUR呈上升趨勢(shì)[4.5～17.8 mg O2/(g MLVSS·h) ]，最后維持在12.0 mg O2/(g MLVSS·h)，說(shuō)明系統(tǒng)中硝化菌的數(shù)量增多。NOB/AOB整體呈上升趨勢(shì)，最后維持在2.3左右，表明ANGS內(nèi)部的亞硝酸鹽氧化菌的活性比氨氧化菌更強(qiáng)，競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)優(yōu)勢(shì)。

(4)EPS

如圖2(d)所示，儲(chǔ)存后的EPS總量[45 mg/(g MLSS)]為儲(chǔ)存前[30 mg/(g MLSS)]的1.5倍，與高景峰等[14]觀察到的現(xiàn)象類似，細(xì)胞分泌EPS來(lái)抵制饑餓環(huán)境，這也是ANGS經(jīng)過(guò)儲(chǔ)存保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、迅速恢復(fù)的重要原因。恢復(fù)過(guò)程中，總EPS的變化趨勢(shì)是先上升后下降，在10 d左右的時(shí)間達(dá)到最大值[50 mg/(g MLSS)]，推測(cè)其原因是微生物在重新獲得營(yíng)養(yǎng)后增殖，EPS分泌量增大，促進(jìn)相互凝聚[28-29]。PN/PS為0.01～0.97，最后維持在0.63左右，PS含量始終大于PN含量，說(shuō)明PS在維持細(xì)胞的穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)上起主要作用[30]。

(5)顆粒化率和平均粒徑

如圖2(e)所示，ANGS的平均粒徑長(zhǎng)期維持在0.9 mm左右，顆粒在恢復(fù)過(guò)程經(jīng)歷了先破碎成半球狀后恢復(fù)球形的過(guò)程，推測(cè)粒徑保持穩(wěn)定的原因是破碎的都是粒徑大于1.4 mm的大顆粒，與此同時(shí)，小顆粒也在不斷生長(zhǎng)。顆粒化率保持在80%以上，其原因是半球狀碎片粒徑也較大，大多數(shù)粒徑大于0.3 mm，較大粒徑的碎片為顆粒提供了重新凝聚的結(jié)核，縮短了重新聚集的時(shí)間。粒徑與其他研究者培養(yǎng)的ANGS相近(0.8～1.3 mm)[31-33]，但自養(yǎng)顆粒相比異養(yǎng)AGS粒徑更小(0.5～2.0 mm)[34-35]。

(6)粒徑分布

如圖2(f)所示，恢復(fù)過(guò)程中絮狀污泥(<0.3 mm)、粒徑在0.3～0.45、0.45～0.6 mm的ANGS占比變化不大，一般在10%以下；粒徑在0.6～1.0 mm的ANGS數(shù)量呈上升趨勢(shì)(30%～47%)；粒徑大于1.4 mm的ANGS數(shù)量在前13 d下降(由24%降至8%)，后期穩(wěn)定(8%～10%)。推測(cè)是由于ANGS經(jīng)歷了破碎重新顆粒化。后期污泥重新顆粒化，恢復(fù)球形之后，粒徑主要分布在0.6～1.0 mm和1.0～1.4 mm。

2.3 恢復(fù)過(guò)程中ANGS的脫氮效果

圖3 脫氮效果 (a) 出水四態(tài)氮；(b) 出水TIN及其去除率；(c) 第10 d典型周期；(d) 第40 d典型周期Fig.3 Denitrification Performance (a) Effluent Four-State Nitrogen; (b) Effluent TIN and Removal Rate; (c) Typical Cycle on Day 10; (d) Typical Cycle on Day 40

如圖3(b)所示，TIN去除效果呈上升趨勢(shì)(0～56%)，前15 d幾乎沒(méi)有TIN去除，在16 d之后TIN去除率開(kāi)始上升，說(shuō)明ANGS具有一定的同步硝化反硝化(simultaneous nitrification and denitrification，SND)能力。原因是ANGS的結(jié)構(gòu)和粒徑得到了恢復(fù)，顆粒內(nèi)部有足夠的缺氧環(huán)境供反硝化菌生長(zhǎng)，從而提高了SND效果。25 d之后，由于ANGS的恢復(fù)和硝化細(xì)菌和反硝化菌的富集，SND能力進(jìn)一步增強(qiáng)，TIN去除率出現(xiàn)明顯上升；第45 d后，TIN去除率維持在56%左右。由圖3(a)～圖3(b)可知，氨氮與TIN變化趨勢(shì)相近，進(jìn)一步說(shuō)明ANGS的SND能力較強(qiáng)。

2.4 恢復(fù)過(guò)程中比硝化速率變化

圖4 比硝化速率測(cè)定 (a)恢復(fù)前；(b)恢復(fù)后Fig.4 Determination of Specific Nitrification Rate (a) before Recovery; (b) after Recovery

3 儲(chǔ)存與恢復(fù)機(jī)理分析

儲(chǔ)存過(guò)程中，ANGS的理化性質(zhì)有不同程度下降，隨著儲(chǔ)存時(shí)間的增長(zhǎng)，理化特性下降越明顯，顆粒內(nèi)部菌種由于得不到足夠的營(yíng)養(yǎng)物而死亡，顆粒內(nèi)核變成黑色，ANGS分泌了大量EPS[30～45 mg/(g MLSS)]以抵御惡劣環(huán)境。顆粒結(jié)構(gòu)保持較好，儲(chǔ)存后SVI(40 mL/g)與儲(chǔ)存前(45 mL/g)相比相對(duì)穩(wěn)定；但SOUR [由27.8 mg O2/(g MLVSS·h)降至8.0 mg O2/(g MLVSS·h)]和MLSS(由3 900 mg/L降至3 100 mg/L)等指標(biāo)下降明顯。

重新啟動(dòng)反應(yīng)器后，ANGS重新獲得了充足的氧氣和基質(zhì)，立刻開(kāi)始生長(zhǎng)，投加的外源硝化細(xì)菌為系統(tǒng)提供了大量活細(xì)菌，系統(tǒng)中的硝化細(xì)菌開(kāi)始快速繁殖。由于儲(chǔ)存過(guò)程中顆粒的三維結(jié)構(gòu)并未破壞，為硝化細(xì)菌繁殖提供了大量生長(zhǎng)附著點(diǎn)，且4個(gè)月長(zhǎng)時(shí)間的嚴(yán)苛儲(chǔ)存環(huán)境使得顆粒中生存下來(lái)的菌種更具生長(zhǎng)潛力，ANGS開(kāi)始快速恢復(fù)。恢復(fù)過(guò)程中，顆粒經(jīng)歷了先破碎后重新凝聚的過(guò)程，較大的碎片粒徑縮短了重新凝聚的時(shí)間，在24 d恢復(fù)三維結(jié)構(gòu)，其后ANGS變得更加飽滿。第30 d后，顆粒的SVI(25～27 mL/g)、MLSS(3 700～3 800 mg/L)和EPS[40～41 mg/(g MLSS)]等理化特性指標(biāo)基本穩(wěn)定，氨氮的去除率也穩(wěn)定在90%左右，說(shuō)明ANGS在第30 d穩(wěn)定性恢復(fù)至儲(chǔ)存前水平。

4 結(jié)論

(1)儲(chǔ)存后的ANGS相比儲(chǔ)存前，EPS總量上升[30～45 mg/(g MLSS)]，推測(cè)EPS是ANGS分泌來(lái)保護(hù)細(xì)胞的物質(zhì)。在外層EPS保護(hù)下，ANGS保持顆粒結(jié)構(gòu)較為完整，但污泥總量和細(xì)菌活性明顯下降，污泥量下降了21.3%(由3 940 mg/L降至3 100 mg/L)，SOUR下降了71.2% [由27.8 mg O2/(g MLVSS·h)降至8 mg O2/(g MLVSS·h)]。

(3)ANGS的原位常溫儲(chǔ)存是可行的，儲(chǔ)存過(guò)程中顆粒的結(jié)構(gòu)并未被破壞，通過(guò)投加外源硝化細(xì)菌可使其理化性質(zhì)在較短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)，且原位儲(chǔ)存具有操作簡(jiǎn)單和節(jié)省空間的特點(diǎn)，為ANGS反應(yīng)器的穩(wěn)定性維持提供了一種新思路。